JP4299618B2 - ガスクラスターイオンビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスクラスターイオンビーム装置に関する。

従来より、ガスクラスターイオンビームを基板等の被加工物の表面に照射してその表面を研磨することによって平坦な面を得る加工方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図２は、ガスクラスターイオンビームを照射する一般的な従来のガスクラスターイオンビーム装置を示す概略構成図である。このガスクラスターイオンビーム装置は、中性のガスクラスターを生成するノズル室１と、このガスクラスターをイオン化して加速するためのイオン化室２とを有する真空容器３を備えており、ノズル室１とイオン化室２は、スキマー４が取付けられた隔壁５によって分離されている。ノズル室１とイオン化室２は、それぞれ真空ポンプ（不図示）によって真空に維持されている。

ノズル室１は円錐形状のノズル６を有し、イオン化室２はイオン化部７と引き出し電極８を有している。イオン化部７は、カゴ形状のアノード９とその外周に同心状に配置したタングステンの細線からなるフィラメント１０とで構成されている。引き出し電極８、アノード９、フィラメント１０は、支持部材（不図示）によってイオン化室２内に支持されている。

そして、ガスボンベ（不図示）より供給されたソースガスをノズル室１内のノズル６で超音速で噴出させることによって、断熱膨張によりガスクラスターを生成する。生成されたガスクラスターの一部はスキマー４を通過し、ビーム形状を整えてイオン化室２に供給される。

このイオン化室２のイオン化部７では、フィラメント電源１１ａから電圧印加されて加熱状態のフィラメント１０から放出された熱電子は、イオン化電源１１ｂから電圧印加されたアノード９によって加速され、ガスクラスターと衝突しガスクラスタービームをイオン化する。イオン化されたガスクラスタービームは、加速電源１２によりアノード９と引き出し電極８との間に形成される電界によって加速される。そして、加速されたガスクラスタービームを前方の基板等の被加工物１３の表面に衝突させる。

この際、クラスターの構成原子又は分子は、被加工物１３の構成原子又は分子と多体衝突を生じる。その結果、被加工物１３の構成原子は表面を横方向に運動する。これにより、被加工物１３の表面の凸部が削られて原子サイズでの研磨が可能となり、平坦な面を得ることができる。

ところで、図２に示した従来のガスクラスターイオンビーム装置のイオン化室２では、イオン化されたガスクラスタービームを加速させるためにアノード９と引き出し電極８間に高電圧（数１０ｋＶ）を印加する必要があるので、イオン化室２は真空ポンプ（不図示）によって真空に維持される。また、ノズル室１も中性のガスクラスターを生成するために、真空ポンプ（不図示）によって真空に維持されている。イオン化室２は、ノズル室１より低い圧力の真空に設定される。

このため、中性のガスクラスターのみがスキマー４を通ってイオン化室２へ流入するように、スキマー４を中央に取付けた隔壁５によってノズル室１とイオン化室２が分離されている。ノズル室１とイオン化室２との間に設けられる隔壁５は、その縁部が真空容器３の外面にＯリング（不図示）を介してボルト（不図示）で固定されている。
特開平８−１２０４７０号公報

ところで、図２に示した従来のガスクラスターイオンビーム装置において、運転状況に応じて定期的にイオン化室２内のイオン化部（アノード９、フィラメント１０）７と引き出し電極８の保守作業を行う必要がある。

このため、従来では、イオン化室２内のイオン化部７と引き出し電極８の保守作業を行う際には、ボルト止めされている隔壁５を外してノズル室１とイオン化室２を分離して取外した後に、イオン化室２内のイオン化部７と引き出し電極８を取外すことによって作業性が悪かった。

また、取外したイオン化部７と引き出し電極８を新しい物と交換する場合は、イオン化室２内で取付け作業を行うことによって取付け作業が煩雑化し、更に、組付けた後のノズル６、スキマー４、イオン化部７、及び引き出し電極８の芯だしにも手間を要した。

そこで本発明は、保守作業時にイオン化室内のイオン化部と引き出し電極の交換作業を容易に行えるようにし、更に、取外したイオン化部と引き出し電極を新しい物と交換した場合でも、ノズル、スキマー、イオン化部、及び引き出し電極の芯だしを容易に行うことができるガスクラスターイオンビーム装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、導入されるガスをノズルから高速噴出させて中性のガスクラスターを生成するノズル室と、隔壁によって前記ノズル室と分離され、前記ガスクラスターが前記隔壁に設けたスキマーによってビーム形状に整えられて供給されるイオン化室とを設けた真空容器を備え、前記イオン化室に、前記ビーム形状に整えられたガスクラスターをイオン化するイオン化部と、該イオン化部でイオン化された前記ビーム形状に整えられたガスクラスターを加速させて被加工物の表面に照射させる加速電極系とを有するガスクラスターイオンビーム装置であって、前記ノズル室と、前記イオン化室とは、それぞれ個別に排気系に接続され、前記隔壁が前記真空容器内に摺動可能に設置されると共に、前記隔壁と対向して前記ノズルを設けた真空容器側板が前記真空容器に取外し自在に固着されており、前記イオン化部と前記加速電極系を前記隔壁に支持すると共に、該隔壁を前記真空容器側板に支持部材で支持し、更に、前記イオン化部への電力供給配線が、前記真空容器側板及び前記隔壁との電気的絶縁を保った状態で前記イオン化部に接続されていることを特徴としている。

また、前記隔壁は、前記真空容器の内周面と隙間を有して設置されることを特徴としている。なお、隔壁と真空容器の内周面との隙間は、隔壁の縁部の一部が真空容器の内周面に接していてもよく、隔壁の縁部全体が真空容器の内周面に接しないように設けてもよい。

また、前記隙間は、コンダクタンス値が１０ｌ／ｓｅｃ以下であることを特徴としている。

本発明のガスクラスターイオンビーム装置によれば、真空容器側板を真空容器から取外す動作によって、隔壁と一体にイオン化部と引き出し電極を真空容器の外に取外すことができるので、イオン化部と引き出し電極を作業性よく容易に交換することが可能となり、保守作業を短時間で容易に行うことができる。

また、真空容器の外でイオン化部と引き出し電極を交換して新しい物に取り替える場合に一体で取外すことにより、保守作業後においてノズル、スキマー、イオン化部及び引き出し電極の芯だしを容易に行うことができる。

また、イオン化部と引き出し電極を一体に引き出し可能に設置することにより、装置全体を小型化することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るガスクラスターイオンビーム装置を示す概略構成図である。なお、図２に示した従来のガスクラスターイオンビーム装置と同一機能を有する部材には同一符合を付して説明する。

本実施の形態に係るガスクラスターイオンビーム装置は、中性のガスクラスターを生成するノズル室１と、このガスクラスターをイオン化して加速するためのイオン化室２とを有する真空容器３を備えており、ノズル室１とイオン化室２は、真空容器３内に設置される隔壁５によって分離されている。隔壁５の中央部にはスキマー４が取付けられている。

隔壁５は、支持部材１４によってノズル６を取付けた真空容器側板１５の内壁に接続されている。なお、図では支持部材１４が１つしか示されていないが、ノズル室１に複数の支持部材１４を設置して、隔壁５を真空容器側板１５の内壁に接続するようにしてもよい。真空容器側板１５は、そのフランジ部１５ａをＯリング（不図示）を介して真空容器３のフランジ部３ａにボルト（不図示）で取外し自在に取付けられている。

隔壁５の縁部５ａと真空容器３の内周面との間には、０．１ｍｍ程度の微小隙間が設けられており、ノズル室１とイオン化室２間のコンダクタンスを制限するようにしている。なお、この縁部５ａのガスの流れ方向（図の左右方向）の幅は３０ｍｍである。本実施の形態における上記コンダクタンスの値は、１０ｌ／ｓｅｃ以下に設定され、好ましくは１ｌ／ｓｅｃ以下である。

イオン化室２内に設置されるイオン化部７のカゴ形状のアノード９は絶縁材からなる支持部材１６によって隔壁５に支持されており、引き出し電極８は絶縁材からなる支持部材１７によってアノード９に支持されている。本実施の形態では、アノード９と引き出し電極８とで加速電極が構成されている。

アノード９とフィラメント１０に一端側が接続された各導線１８ａ、１８ｂは、隔壁５と真空容器側板１５間に接続した絶縁パイプ１９内を通して外部の加速電源１２とフィラメント電源１１ａ及びイオン化電源１１ｂに接続されている。また、イオン化室２内に設置される引き出し電極８は、導線１８ｃを介して隔壁５に接続されている。支持部材１４は導体であり、隔壁５は支持部材１４と真空容器側板１５を介してアースされている。アノード９は支持部材１６によって隔壁５に支持され、引き出し電極８は支持部材１７によってアノード９に支持される。フィラメント１０は固定手段（不図示）によって隔壁５に支持されている。

そして、ガスボンベ（不図示）より供給されたソースガス（例えばＡｒガス）をノズル室１内のノズル６で超音速で噴出させることによって、断熱膨張によりガスクラスターを生成する。この際、例えば、ノズル６のソースガスの圧力が６気圧のときに、ノズル６からのガス流量は約５００ｓｃｃｍであり、ノズル室１の運転圧力は、実効排気速度が３００ｌ／ｓｅｃ程度の真空ポンプ（不図示）で排気しているときに２Ｐａ程度であった。生成されたガスクラスターはスキマー４を通過し、ビーム形状を整えてイオン化室２に供給される。スキマー４はできるだけ気体の流れを乱さないように鋭く尖った形状に形成されている。

このイオン化室２のイオン化部７では、フィラメント電源１１ａから電圧印加されて加熱状態のフィラメント１０から放出された熱電子は、イオン化電源１１ｂから電圧印加されたアノード９によって１００〜３００Ｖに加速され、電子衝突によってガスクラスタービームをイオン化する。イオン化されたガスクラスタービームは、加速電源１２からアノード９に高電圧（数１０ｋＶ）を印加することによってアノード９と引き出し電極８との間に形成される電界により加速される。この際、イオン化室２の運転圧力は、実効排気速度が１０００ｌ／ｓｅｃ程度の真空ポンプ（不図示）で排気しているときに１０^-2Ｐａ程度であった。

そして、加速されたガスクラスタービームを前方の基板等の被加工物１３の表面に対して垂直に照射し、被加工物１３の表面原子を横方向にスパッタすることによって表面の凹凸が平坦化される。

ところで、上記したガスクラスターイオンビーム装置を長期にわたって運転すると、イオン化室２内のイオン化部（アノード９、フィラメント１０）７と引き出し電極８に劣化や汚れが生じ、初期の性能を維持することができなくなるので、交換等の保守作業を行う必要がある。

この保守作業を行う際には、先ず真空容器側板１５のフランジ部１５ａを真空容器３のフランジ部３ａに接続しているボルト（不図示）を外し、真空容器側板１５を真空容器３から取外す。

そして、上記したようにアノード９、引き出し電極８、及びフィラメント１０が隔壁５と一体に設置され、また、隔壁５の縁部５ａと真空容器３の内壁面が摺動可能に構成されているので、取外した真空容器側板１５を真空容器３の長手方向（図の左右方向）に対して被加工物１３と反対側に移動させることによって、隔壁５と一体にアノード９、フィラメント１０、引き出し電極８を真空容器３の外に取外すことができる。

この際、アノード９、フィラメント１０の電力線である各導線１８ａ、１８ｂも、真空容器側板１５と隔壁５間に接続されている絶縁パイプ１９によって一体に移動することにより真空容器３の外に取外すことができる。

そして、真空容器３の外に取外した引き出し電極８、アノード９、フィラメント１０を新しい物と交換した後、取外し動作の逆の手順で真空容器３内に組込み、真空容器側板１５のフランジ部１５ａを真空容器３のフランジ部３ａにボルト止めすることによって、直ぐに運転可能状態になる。

このように、真空容器側板１５を真空容器３から取外す動作によって、隔壁５と一体にアノード９、フィラメント１０、引き出し電極８を真空容器３の外に取外すことができるので、アノード９、フィラメント１０、引き出し電極８を作業性よく容易に交換することが可能となり、保守作業を短時間で容易に行うことができる。

また、真空容器３の外でアノード９、フィラメント１０、引き出し電極８を交換して新しい物に取り替えることにより、保守作業後においてノズル６、スキマー４、アノード９、フィラメント１０、及び引き出し電極８の芯だしを容易に行うことができる。

更に、従来のように、保守作業時に真空容器３内でアノード９、フィラメント１０、引き出し電極８を交換することがないので、真空容器３の小型化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係るガスクラスターイオンビーム装置を示す概略構成図。 従来例におけるガスクラスターイオンビーム装置を示す概略構成図。

符号の説明

１ ノズル室
２ イオン化室
３ 真空容器
４ スキマー
５ 隔壁
６ ノズル
７ イオン化部
８ 引き出し電極
９ アノード
１０ フィラメント
１１ａ フィラメント電源
１１ｂ イオン化電源
１２ 加速電源
１３ 被加工物
１４ 支持部材
１５ 真空容器側板
１５ａ フランジ部
１９ 絶縁パイプ

Claims (3)

1. 導入されるガスをノズルから高速噴出させて中性のガスクラスターを生成するノズル室と、隔壁によって前記ノズル室と分離され、前記ガスクラスターが前記隔壁に設けたスキマーによってビーム形状に整えられて供給されるイオン化室とを設けた真空容器を備え、前記イオン化室に、前記ビーム形状に整えられたガスクラスターをイオン化するイオン化部と、該イオン化部でイオン化された前記ビーム形状に整えられたガスクラスターを加速させて被加工物の表面に照射させる加速電極系とを有するガスクラスターイオンビーム装置であって、
   前記ノズル室と、前記イオン化室とは、それぞれ個別に排気系に接続され、
   前記隔壁が前記真空容器内に摺動可能に設置されると共に、前記隔壁と対向して前記ノズルを設けた真空容器側板が前記真空容器に取外し自在に固着されており、
   前記イオン化部と前記加速電極系を前記隔壁に支持すると共に、該隔壁を前記真空容器側板に支持部材で支持し、更に、前記イオン化部への電力供給配線が、前記真空容器側板及び前記隔壁との電気的絶縁を保った状態で前記イオン化部に接続されている、
   ことを特徴とするガスクラスターイオンビーム装置。
2. 前記隔壁は、前記真空容器の内周面と隙間を有して設置される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のガスクラスターイオンビーム装置。
3. 前記隙間は、コンダクタンス値が１０ｌ／ｓｅｃ以下である、
   ことを特徴とする請求項２に記載のガスクラスターイオンビーム装置。

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